1、第第8 8章章 半导体表面和半导体表面和MISMIS结构结构 Semiconductor Surface&Metal-Insulator-Semiconductor Structure本章主要内容本章主要内容：l半导体表面态半导体表面态lMISMIS结构中的表面电场效应结构中的表面电场效应lMISMIS结构电容结构电容-电压特性电压特性l硅硅-二氧化硅系统性质二氧化硅系统性质l表面电导及迁移率表面电导及迁移率 8.1 l x0区的电子波函数为：区的电子波函数为：120012()()expm VExAxx0区的电子波函数为：区的电子波函数为：2221()()expexpik xik xkxAux
2、 在在x=0 x=0处，波函数是按指数关系衰减，这表明处，波函数是按指数关系衰减，这表明 电子的分布概率主要集中在电子的分布概率主要集中在x=0 x=0处，电子被局处，电子被局 限在表面附近，这种状态叫做表面态。限在表面附近，这种状态叫做表面态。对硅对硅(111)面，在超高真空下可观察到面，在超高真空下可观察到(77)结构，即表面上形成以结构，即表面上形成以(77)个硅个硅原子为单元的二维平移对称性结构。原子为单元的二维平移对称性结构。1.表面电场产生的原因表面电场产生的原因一般采用金属一般采用金属/绝缘体绝缘体/半导体半导体(MIS)结构研究表面电场效应结构研究表面电场效应首先首先，在空间电
3、荷区内，从半导体的表面到体，在空间电荷区内，从半导体的表面到体内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，内，电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，电场强度减小到零。电场强度减小到零。其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，其次，空间电荷区的电势也要随距离逐渐变化，半导体表面相对体内就产生电势差。半导体表面相对体内就产生电势差。空间电荷区对空间电荷区对电场电场、电势电势与与能带能带的影响：的影响：最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能最后，电势的变化，使得电子在空间电荷区的能量改变，从而导致能带的弯曲。量改变，从而导致能带的弯曲。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l我们通过一个我们
4、通过一个MIS结构来讨论在外加电场作用下结构来讨论在外加电场作用下半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想半导体表面层内发生的现象，并假设考虑的理想的的MIS结构满足以下条件：结构满足以下条件：金属与半导体功函数相等；金属与半导体功函数相等；绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电；绝缘层内无电荷且绝缘层完全不导电；绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。绝缘层与半导体交界面处不存在任何界面态。MIS结构示意图及理想MIS的能带图8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势外加电场作用于该外加电场作用于该MIS结构，金属接高电位，即结构，金属接高电位，即VG0MIS结构由于绝缘层的结构由于绝缘层的
5、存在不能导电，实际就存在不能导电，实际就是一个电容器，金属与是一个电容器，金属与半导体相对的两个面上半导体相对的两个面上被充电，结果金属一层被充电，结果金属一层的边界有正电荷积累，的边界有正电荷积累，而在而在P型半导体表面形型半导体表面形成一定宽度的带负电荷成一定宽度的带负电荷的空间电荷区。的空间电荷区。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势在空间电荷区内，电场在空间电荷区内，电场的方向由半导体与绝缘的方向由半导体与绝缘层的交界面（半导体表层的交界面（半导体表面）指向半导体内部，面）指向半导体内部，同时空间电荷区内的电同时空间电荷区内的电势也随距离而变化，这势也随距离而变化，这样半导体
6、表面相对体内样半导体表面相对体内产生了电势差，同时能产生了电势差，同时能带在空间电荷区内发生带在空间电荷区内发生了弯曲。了弯曲。E8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l表面势表面势V Vs s ：称空间电荷层两端的电势差为表：称空间电荷层两端的电势差为表面势，以面势，以V Vs s表示之，规定表面电势比内部高时，表示之，规定表面电势比内部高时，V Vs s取正值；反之取正值；反之V Vs s取负值。取负值。l表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加的电压与半导体间所加的电压VGVG而变化，基本上可归而变化，基本上可归纳为三种情况：
7、纳为三种情况：多子堆积、多子耗尽和少子反多子堆积、多子耗尽和少子反型。型。分析要点分析要点：表面空间电荷区电场方向和表面势；半导：表面空间电荷区电场方向和表面势；半导体表面能带弯曲情况体表面能带弯曲情况;表面空间电荷区电荷组成；名称表面空间电荷区电荷组成；名称由来。由来。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l多数载流子堆积状态多数载流子堆积状态：电场由半导体内部指向表电场由半导体内部指向表面，表面势为负值，表面面，表面势为负值，表面处能带越靠近表面向上弯处能带越靠近表面向上弯曲。曲。越接近半导体表面，越接近半导体表面，价带顶越移近费米能级甚价带顶越移近费米能级甚至高过费米能级，同时价
8、至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也随之增加，带中空穴浓度也随之增加，即即表面空间电荷层为空穴表面空间电荷层为空穴的堆积而带正电荷，的堆积而带正电荷，且越且越接近表面空穴浓度越高接近表面空穴浓度越高多子堆积状态。多子堆积状态。M MI IS S8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l多数载流子的耗尽状态多数载流子的耗尽状态电场由半导体表面指向体内，电场由半导体表面指向体内，表面势为正值，表面处能带表面势为正值，表面处能带越靠近表面向下弯曲。越靠近表面向下弯曲。越接越接近表面，半导体价带顶离费近表面，半导体价带顶离费米能级越远，价带顶处的空米能级越远，价带顶处的空穴浓度随之降低。表面处空
9、穴浓度随之降低。表面处空穴浓度较体内空穴浓度低得穴浓度较体内空穴浓度低得多，多，表面层的负电荷基本上表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度等于电离受主杂质浓度多子的耗尽状态（耗尽层）。多子的耗尽状态（耗尽层）。8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势l少数载流子的反型状态少数载流子的反型状态当空间电荷区内能带进一步向下当空间电荷区内能带进一步向下弯曲使费米能级位置高于禁带中弯曲使费米能级位置高于禁带中线，意味着线，意味着表面处出现了一个与表面处出现了一个与衬底导电类型相反的一层，叫做衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。反型层。反型层发生在紧靠在半反型层发生在紧靠在半导体表面处，从导体表
10、面处，从反型层到半导体反型层到半导体内部之间还夹着一个耗尽层内部之间还夹着一个耗尽层。此。此时，时，表面空间电荷区由两部分组表面空间电荷区由两部分组成，一部分是耗尽层中的电离受成，一部分是耗尽层中的电离受主，另一部分是反型层中的电子，主，另一部分是反型层中的电子，后者主要堆积在近表面区后者主要堆积在近表面区少子反型状态少子反型状态8.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势金属与半导体间加负压，多子堆积金属与半导体间加负压，多子堆积金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽金属与半导体间加不太高的正压，多子耗尽金属与半导体间加高正压，少子反型金属与半导体间加高正压，少子反型p p型半导体型半导体
11、V VG G000V VG G008.1表面电场效应8.1.1空间电荷层及表面势n n 型半导体型半导体金属与半导体间加正压，多子堆积金属与半导体间加正压，多子堆积金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽金属与半导体间加不太高的负压，多子耗尽金属与半导体间加高负压，少子反型金属与半导体间加高负压，少子反型V VG G00V VG G00V VG G000，Q Qs s用负号；反之用负号；反之Q Qs s用正号。可以看出，表面空间电荷层的电荷面用正号。可以看出，表面空间电荷层的电荷面密度密度Q QS S随表面势随表面势V VS S变化，正体现出变化，正体现出MISMIS结构的电结构的电容特性。容特
12、性。8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l在单位表面积的表面层中空穴的改变量为在单位表面积的表面层中空穴的改变量为l因为因为00000 1)exp()(dxTkqVpdxpppppp|EdVdx8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容l考虑到考虑到x=0 x=0，V=VV=Vs s和和x=x=，V=0V=0，则得，则得 l同理可得同理可得0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpp0000000),(1)exp(2sVppDPdVpnTkqVFTkqVTkLqpn8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间
13、电荷层的电场、电势和电容l表面处单位面积微分电容表面处单位面积微分电容l单位单位F/mF/m2 2。下面以下面以P P型半导体构成的型半导体构成的MISMIS结构，讨论三种类结构，讨论三种类型时的电场、电荷面密度及电容情况。型时的电场、电荷面密度及电容情况。返回8.2 表面电场效应8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况l（1 1）多数载流子堆积状态（积累层）多数载流子堆积状态（积累层）当当V VG G000时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空时，但其大小还不足以使表面出现反型状态时，空间电荷区为空穴的耗尽层。间电荷区为空穴
14、的耗尽层。F F函数函数中起主要作用的为中起主要作用的为 ，此时：此时：代入代入L LD D采用耗尽采用耗尽近似近似202AdsrsqN xV 1/202ArsssN qCV 8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况 2/12/102sDsVqTkLE 2/12/1002sDrssVqTkLQ2/1001TkqVLCsDrss2/10TkqVs返回0rssdCx 对于耗尽状态，空间电荷区也可以用对于耗尽状态，空间电荷区也可以用“耗尽层近似耗尽层近似”来来处理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离受主处理，即假设空间电荷区内所有负电荷全部由电离受主提供，对于均匀掺杂的半导体，
15、电荷密度为：提供，对于均匀掺杂的半导体，电荷密度为：代入泊松方程求解，得到：代入泊松方程求解，得到：电势分布电势分布 表面势表面势其中的其中的x xd d为空间电荷区宽度，若已知表面势为空间电荷区宽度，若已知表面势V VS S，可求出电，可求出电荷区荷区宽度为宽度为单位面积电容单位面积电容 电荷面密度电荷面密度 8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况2/102sArsdAsVqNxqNQ AqNx022rsdAxxqNV022rsdAsxqNV 2/102AsrsdqNVxl（4 4）少数载流子反型状态（反型层，）少数载流子反型状态（反型层，VG0）弱反型：如能带图所示，表
16、面开始出现反型层的条件：弱反型：如能带图所示，表面开始出现反型层的条件：表面处表面处cE0iEfEvEseVFiEE 即表面势费米势即表面势费米势所以形成弱反型层的条件：所以形成弱反型层的条件：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况iAfiBnNqTkqEEVln00其中：其中：BfisqVEEqV0BsVV 强反型层出现的条件：当型衬底表面处的电子浓度等于体强反型层出现的条件：当型衬底表面处的电子浓度等于体内的多子空穴浓度时。内的多子空穴浓度时。cE0iEfEvEfEisEsfiiisfisnpkTEEnpkTEEnn000expexp半导体表面达到强反型层的条件：半导体
17、表面达到强反型层的条件：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况BisisBfiisfqVEEqVqVEEEE200BsVV2此时表面势为：此时表面势为：iABsnNqTkVVln220当半导体表面进入强反型时，即当当半导体表面进入强反型时，即当VS=2VBVS=2VB时金属板上加的电时金属板上加的电压习惯上称为压习惯上称为开启电压开启电压，以，以VTVT表示，该电压由绝缘层和半导表示，该电压由绝缘层和半导体表面空间电荷区共同承担，即体表面空间电荷区共同承担，即其中其中V0V0是落在绝缘层上的电压降，是落在绝缘层上的电压降，2VB2VB是落在空间电荷区的是落在空间电荷区的电压
18、降，也就是表面势。电压降，也就是表面势。(注意注意：开启电压的求法）：开启电压的求法）对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面密度及电对于弱反型和强反型，空间电荷区的电场、电荷面密度及电容公式有一些区别，讨论如下：容公式有一些区别，讨论如下：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况BTVVV20弱反型时弱反型时：空间电荷层的电场、电荷密度公式与：空间电荷层的电场、电荷密度公式与多子耗多子耗尽时尽时相似，相似，F F函数简化为：函数简化为：临界强反型时临界强反型时:8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况2/10TkqVFs2/1002TkqVqLTkEs
19、Ds2/102/1042BArssArssVqNVqNQ到达强反型之后到达强反型之后，当表面势，当表面势V VS S比比2V2VB B大的多时，大的多时，F F函数函数简化简化为：为：此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为：此时，电场、面电荷密度及表面空间电荷层电容分别为：8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况TkqVpnFspp02/1002exp2/10002/100022exp2rsssppDTknTkqVpnqLTkE2/10002/1000022exp2srssppDrssnTkTkqVpnqLTkQ2/10002/100022exp2psDrssppD
20、rsspnLTkqVpnLC 对以对以P P型半导体为衬底的理想型半导体为衬底的理想MISMIS结构，半导体表面结构，半导体表面空间电荷区的电荷面密度空间电荷区的电荷面密度Q QS S随表面势随表面势V VS S变化的曲线如书中变化的曲线如书中图图8-68-6所示。所示。此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗尽层此外，需要注意的是一旦出现强反型，表面耗尽层宽度就达到一个极大值宽度就达到一个极大值x xdmdm，不再随外加电压的增加而继，不再随外加电压的增加而继续增加，利用续增加，利用耗尽层近似的方法耗尽层近似的方法求出求出最大宽度最大宽度：这是因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，当电这是
21、因为反型层中积累电子屏蔽了外电场的作用，当电压继续增大时，通过电子的继续增多来保持电中性，而压继续增大时，通过电子的继续增多来保持电中性，而不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。不必使耗尽层向半导体内部继续延伸。8.2 表面电场效应8.2.3 各种表面层状态下的电容情况2/12002/10ln44iAArsABrsdmnNNqTkqNVxl深耗尽状态深耗尽状态 这是一种非平衡状态，如在这是一种非平衡状态，如在MISMIS结构上加一高频正弦结构上加一高频正弦波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，波形成的正电压，虽然电压的幅度已经超过强反型条件，但是由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压
22、的变化，但是由于空间电荷层中电子的产生速率赶不上电压的变化，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，反型层来不及建立，为了保持和金属板上的正电荷平衡，只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电只能依靠将耗尽层向半导体内部继续推进而产生更多的电离受主。此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，离受主。此时，空间电荷区的电荷全部由电离受主提供，耗尽层的宽度可超过最大宽度耗尽层的宽度可超过最大宽度x xdmdm，且宽度随电压，且宽度随电压V VG G的增加的增加而增大，称为而增大，称为“深耗尽状态深耗尽状态”，仍可用耗尽层近似来处理。，仍可用耗尽层近似来处理。8.2 表面电场效应8
23、.2.3 各种表面层状态下的电容情况8.3 MIS8.3 MIS结构的电容结构的电容-电压特性电压特性lMISMIS结构的微分电容结构的微分电容l理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性l实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性8.3.1 MIS8.3.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容l栅压栅压V VG G=V=VO O+V+VS S l当不考虑表面态电荷当不考虑表面态电荷,半导体的总电荷面密度半导体的总电荷面密度 Q QS S=-Q=-QG G lMISMIS结构的微分电容结构的微分电容C C
24、 d dQ QG G/dV/dVG G 1GOSGGGdVdVdVCdQdQdQl定义定义u 绝缘层电容绝缘层电容u 空间电荷区电容空间电荷区电容则有则有 即即 上式说明，上式说明，MISMIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，电荷层电容的串联，其等效电路如右图。其等效电路如右图。0GroOOodQCdVd SSSdQCdV 111OSCCC11OOSCCCC8.3.1 MIS8.3.1 MIS结构的微分电容结构的微分电容8.3.2 8.3.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性l理想理想MISMIS结构结构:金
25、属的功函数与半导体相同（金属的功函数与半导体相同（Vms=0Vms=0）氧化层中没有电荷存在（氧化层中没有电荷存在（Qo=0Qo=0）半导体氧化物没有界面态（半导体氧化物没有界面态（Qss=0Qss=0）lMISMIS结构的微分电容公式结构的微分电容公式:把把8.28.2节中计算出的各种状态下的节中计算出的各种状态下的C CS S代入公式，代入公式，可求得理想可求得理想MISMIS结构在各种状态下的结构在各种状态下的C/CC/C0 0值，仍以值，仍以P P型衬底的型衬底的MISMIS结构为例。结构为例。1 1OOSCCCC多子堆积状态多子堆积状态：V VG G0 V0 VS S0 0,00,0
26、VS S 2V V VT T,V,VS S 2V 2VB Bu如果是如果是处于低频信号处于低频信号下，强反型的下，强反型的MISMIS结构上结构上qVqVS S2qV2qVB Bkk0 0T T，上式分母第二项的很小趋近于零，上式分母第二项的很小趋近于零，所以所以(C/Co)1(C/Co)1，说明，说明MISMIS结构电容又上升到等于绝结构电容又上升到等于绝缘层电容，如图缘层电容，如图EFEF段。段。2/1000000exp211TkqVpndLCCspprsDr8.3.2 8.3.2 理想理想MISMIS结构的低频结构的低频C-VC-V特性特性 如果是如果是处于处于高频信号高频信号下下,反型
27、层中电子的产生与复合反型层中电子的产生与复合跟不上频率的变化跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容，由于强反型时耗尽层有最大宽度容，由于强反型时耗尽层有最大宽度x xdmdm，使耗尽层电，使耗尽层电容达最小值，所以容达最小值，所以MISMIS结构的电容也呈现极小电容结构的电容也呈现极小电容C Cminmin 不再随偏压不再随偏压V VG G变化，如图变化，如图GHGH段。此时段。此时8.3.3 8.3.3 理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性dmrssxC02/100000000/minln2111111iAArsrsrrsdm
28、rnNNTkdqdxCsCCCl深耗尽状态深耗尽状态：若理想若理想MISMIS结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽结构处于深耗尽状态，此时耗尽层宽度度x xd d随外加随外加V VG G而变化，而变化，C CS S不再是定值，所以不再是定值，所以MISMIS结构电结构电容容C/CC/C0 0不再呈现为最小值。不再呈现为最小值。drssxC000011dxCCrsdr8.3.3 8.3.3 理想理想MISMIS结构的高频结构的高频C-VC-V特性特性8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 一、金属与半导体功函数差异的影响一、金属与半导体功函数差异的影响l无外加偏
29、压时能带图：无外加偏压时能带图：若金属和半导体存在功函数差异，当形成若金属和半导体存在功函数差异，当形成MISMIS系统系统时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，在半时，为了使金属和半导体的费米能级保持水平，在半导体表面会形成空间电荷区，表面能带发生弯曲，表导体表面会形成空间电荷区，表面能带发生弯曲，表面势面势V VS S不为零。不为零。下图为某一实际下图为某一实际P P型型MISMIS结构在无外加偏压时的能结构在无外加偏压时的能带图，考虑带图，考虑W Wm mW00，能带下弯。，能带下弯。Vs08.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l功函数差对功函数
30、差对C-VC-V曲线的影响：曲线的影响：存在功函数差异的实际存在功函数差异的实际MISMIS结构和理想结构和理想MISMIS结构的结构的C-C-V V特性曲线形状一致，但位置有一些变化。特性曲线形状一致，但位置有一些变化。在上面的例子中，无偏压时在上面的例子中，无偏压时V VS S00，能带下弯，为了，能带下弯，为了恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定的负恢复半导体表面平带状态，必须在金属一侧加一定的负电压，抵消半导体表面势对能带的影响。电压，抵消半导体表面势对能带的影响。这个为了恢复这个为了恢复平带状态所需加的电压叫做平带电压，以平带状态所需加的电压叫做平带电压，以V VFBFB表示
31、表示，大，大小为：小为：qWWVVsmsFB8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 左图为该左图为该MISMIS结构的实际结构的实际C-C-V V特性曲线（曲线特性曲线（曲线2 2）。从）。从图中可知，与理想图中可知，与理想MISMIS结构结构C-VC-V曲线（曲线曲线（曲线1 1）相比，）相比，实际实际MISMIS的的C-VC-V曲线沿电压曲线沿电压轴向负方向平移了一段距轴向负方向平移了一段距离离V VFBFB。综上：综上：金属与半导体存在功函数差的实际金属与半导体存在功函数差的实际MISMIS结构，结构，其其C-VC-V特性曲线会沿电压轴向左或右平移，
32、平移的特性曲线会沿电压轴向左或右平移，平移的距离即为平带电压距离即为平带电压V VFBFB，其正负代表平移的方向。，其正负代表平移的方向。BVFB8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性二、绝缘层电荷对二、绝缘层电荷对MISMIS结构结构C-VC-V特性的影响特性的影响 设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷量设绝缘层中有一薄层电荷，单位面积上的电荷量为为Q Q，离金属表面的距离为，离金属表面的距离为x x，带正电。，带正电。l无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响无偏压时绝缘层电荷对半导体能带的影响 为了保持电中性，绝缘层的正电荷会在金属及半为了保持电中性
33、，绝缘层的正电荷会在金属及半导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负导体表面层中感应出负电荷，因此在半导体表面有负的空间电荷区，表面能带下弯，表面势的空间电荷区，表面能带下弯，表面势V VS S00。8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性Q0l绝缘层电荷对绝缘层电荷对C-VC-V特性的影响特性的影响 半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面能半导体表面感应出的负电荷导致了半导体表面能带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在金属带的弯曲，为了恢复半导体的平带状态，需要在金属一侧加一个负偏压一侧加一个负偏压V VFBFB，使金属板上的负电荷量增加到，使
34、金属板上的负电荷量增加到等于绝缘层电荷等于绝缘层电荷Q Q，这样半导体表面就不会有感应的负，这样半导体表面就不会有感应的负电荷，表面能带恢复水平状态，电荷，表面能带恢复水平状态，V VFBFB的大小，我们这样的大小，我们这样来考虑：来考虑：8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性 在平带电压在平带电压V VFBFB的作用下，电荷只出现在金属板和的作用下，电荷只出现在金属板和绝缘层中，内电场集中在金属板和绝缘层薄层电荷之绝缘层中，内电场集中在金属板和绝缘层薄层电荷之间，由高斯定理可推出：间，由高斯定理可推出：该该MISMIS结构的结构的C-VC-V特性曲线也沿
35、电压轴向负方向平移，特性曲线也沿电压轴向负方向平移，平移的距离即为平移的距离即为V VFBFB，如图中的，如图中的曲线（曲线（2 2）。0000CdxQxQxEVrFB其中其中C C0 0绝缘层单位面积电容。绝缘层单位面积电容。8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l绝缘层电荷位置对绝缘层电荷位置对C-VC-V特性的影响特性的影响 当当x=0 x=0时，绝缘层电荷贴近金属一侧，时，绝缘层电荷贴近金属一侧，V VFBFB=0=0 当当x=dx=d0 0时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电时，绝缘层电荷贴近半导体一侧，平带电压有最大值压有最大值 这说明绝缘层电
36、荷越接近半导体表面，对这说明绝缘层电荷越接近半导体表面，对C-VC-V特性的影特性的影响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对响越大，若位于金属与绝缘层界面处，对C-VC-V特性无影特性无影响。响。000CQdQVrFB8.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性l体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响体分布的绝缘层电荷对平带电压的影响 若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金若绝缘层中的电荷不是薄层分布而是体分布，设金属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为属与绝缘层界面为坐标原点，体电荷密度为(x)(x)，其，其平带电压为：平带电压为：当功函数差和绝缘层电荷同时存
37、在时，平带电压为：当功函数差和绝缘层电荷同时存在时，平带电压为：dxdxxCVdFB00001 dxdxxCqWWVdsmFB000018.3.4 8.3.4 实际实际MISMIS结构的结构的C-VC-V特性特性硅硅-二氧化硅系统中的电荷和态二氧化硅系统中的电荷和态l1.1.二氧化硅中的可动离子二氧化硅中的可动离子l2.2.二氧化硅中的固定表面二氧化硅中的固定表面电荷电荷l3.3.在硅在硅二氧化硅界面处二氧化硅界面处的快界面态的快界面态l4.4.二氧化硅中的陷阱电荷二氧化硅中的陷阱电荷8.4 Si-SiO8.4 Si-SiO2 2系统的性质系统的性质8.4.1 8.4.1 二氧化硅中的可动离子
38、二氧化硅中的可动离子l二氧化硅中的可动离子有二氧化硅中的可动离子有NaNa、K K、H H等，其中最主等，其中最主要而对器件稳定性影响最大的是要而对器件稳定性影响最大的是NaNa离子。离子。l来源来源：使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人使用的试剂、玻璃器皿、高温器材以及人体沾污等体沾污等 l为什么为什么SiOSiO2 2层中容易玷污这些正离子而且易于在层中容易玷污这些正离子而且易于在其中迁移呢？其中迁移呢？二氧化硅的网络状结构二氧化硅的网络状结构l二氧化硅结构的基本单二氧化硅结构的基本单元是一个由硅氧原子组元是一个由硅氧原子组成的四面体，成的四面体，NaNa离子存离子存在于四面体之间，使二在
39、于四面体之间，使二氧化硅呈现多孔性，从氧化硅呈现多孔性，从而导致而导致NaNa离子易于在二离子易于在二氧化硅中迁移或扩散。氧化硅中迁移或扩散。l由于由于NaNa的扩散系数远远的扩散系数远远大于其它杂质。根据爱大于其它杂质。根据爱因斯坦关系，扩散系数因斯坦关系，扩散系数跟迁移率成正比，故跟迁移率成正比，故NaNa离子在二氧化硅中的迁离子在二氧化硅中的迁移率也特别大。移率也特别大。l温度达到温度达到127127摄氏度以上时，摄氏度以上时，NaNa离子在电场作用离子在电场作用下以较大的迁移率发生迁移运动。下以较大的迁移率发生迁移运动。二氧化硅中钠离子的漂移二氧化硅中钠离子的漂移对对C-VC-V曲线的
40、影响曲线的影响曲线曲线1 1为原始为原始C-VC-V曲线，认曲线，认为此时所有可动钠离子都为此时所有可动钠离子都位于金属和绝缘层交界附位于金属和绝缘层交界附近；曲线近；曲线2 2是加正是加正10V10V偏压偏压在在127127下退火下退火3030分钟后测分钟后测得的得的C-VC-V曲线；接着在加负曲线；接着在加负10V10V偏压并在同样温度下退偏压并在同样温度下退火火3030分钟后测其分钟后测其C-VC-V曲线，曲线，即为曲线即为曲线3 3。B B-T-T实验测定可动离子电荷密度：实验测定可动离子电荷密度：l上述实验称为偏压上述实验称为偏压温度实验，简称温度实验，简称B-TB-T实验。可实验。
41、可以利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动以利用该实验测量二氧化硅中单位面积上的可动离子离子NaNa离子的电荷密度：离子的电荷密度：从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：从而求出二氧化硅层中单位面积钠离子数目为：NaoFBQCVNaNaQNqV VFBFB是曲线是曲线1 1和和2 2平带电压之差平带电压之差l可动钠离子对器件的稳定性影响最大可动钠离子对器件的稳定性影响最大 （1 1）漏电增加，击穿性能变坏）漏电增加，击穿性能变坏 （2 2）平带电压增加）平带电压增加l如何解决钠离子玷污的问题如何解决钠离子玷污的问题 （1 1）把好清洁关）把好清洁关 （2 2）磷蒸汽处理）磷蒸汽处理8.4
42、.2 8.4.2 二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅中的固定表面电荷二氧化硅层中固定电荷有如下特征二氧化硅层中固定电荷有如下特征 l电荷面密度是固定的电荷面密度是固定的l这些电荷位于这些电荷位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内范围以内l固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层固定表面电荷面密度的数值不明显地受氧化层厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响厚度或硅中杂质类型以及浓度的影响 l固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶固定电荷面密度与氧化和退火条件，以及硅晶体的取向有很显著的关系体的取向有很显著的关系 过剩硅离子是固定正电荷的来源过剩硅离子是固定正电荷的来源l这些电荷
43、出现在这些电荷出现在Si-SiOSi-SiO2 2界面界面200200范围以内，范围以内，这个区域是这个区域是SiOSiO2 2与硅结合的地方，极易出现与硅结合的地方，极易出现SiOSiO2 2层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生层中的缺陷及氧化不充分而缺氧，产生过剩的硅离子过剩的硅离子l实验证明，若在硅晶体取向分别为实验证明，若在硅晶体取向分别为111111、110110和和100100三个方向生长三个方向生长SiOSiO2 2时，他们的时，他们的硅硅二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之二氧化硅结构中的固定表面电荷密度之比约为比约为3:2:13:2:1。l将氧离子注入将氧离子注入Si-SiO2S
44、i-SiO2系统界面处，在系统界面处，在450450度度进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降进行处理，发现固定表面电荷密度有所下降l将将MOSMOS结构加上负栅偏压进行热处理实验发结构加上负栅偏压进行热处理实验发现，当温度高出钠离子漂移温度（现，当温度高出钠离子漂移温度（127127度）度）时，这些固定的表面电荷密度有所增加。时，这些固定的表面电荷密度有所增加。固定表面电荷（带正电）位于固定表面电荷（带正电）位于Si-SiOSi-SiO2 2界面界面处，相当于绝缘层中有离金属的距离为处，相当于绝缘层中有离金属的距离为d0d0的一层带正电的面电荷一样，因此也会带的一层带正电的面电荷一样，因此也
45、会带来平带电压的影响，如下图所示。来平带电压的影响，如下图所示。由由8.3.48.3.4节节的内容可知，固定表的内容可知，固定表面电荷面电荷Q Qfcfc引起的平带电压为：引起的平带电压为：0fcFBQVC 单位面积的固定正电荷数目单位面积的固定正电荷数目 fcfcQNq固定表面电荷对固定表面电荷对MISMIS结构的结构的C-VC-V曲线的影响：曲线的影响：与与B-TB-T实验相关的例题解析：实验相关的例题解析：l一、在一个一、在一个P型半导体构成的型半导体构成的MIS结构中，绝缘层里同时含结构中，绝缘层里同时含有可动钠离子和固定表面电荷，在已知该有可动钠离子和固定表面电荷，在已知该MIS结构
46、各组成结构各组成物质的参数的前提下（绝缘层厚度、功函数、介电常数物质的参数的前提下（绝缘层厚度、功函数、介电常数等），分析如何通过等），分析如何通过B-T实验来确定绝缘层中的可动离子实验来确定绝缘层中的可动离子电荷面密度电荷面密度Qm及固定表面电荷面密度及固定表面电荷面密度Qfc？l注意结合注意结合C-V曲线和曲线和B-T实验的计算问题。实验的计算问题。与与B-TB-T实验相关的例题解析：实验相关的例题解析：l二、用二、用N型硅单晶作为衬底制成的型硅单晶作为衬底制成的MOS二极管，金属铝面二极管，金属铝面积为积为 。在。在150下进行负下进行负B-T和正和正B-T处理，测处理，测得其得其C-V
47、特性曲线分别如图和。特性曲线分别如图和。已知：已知：求：二氧化硅层的厚度求：二氧化硅层的厚度d0；二氧化硅层中的固定表面电荷面密度二氧化硅层中的固定表面电荷面密度Qfc;二氧化硅层中的可动离子电荷面密度二氧化硅层中的可动离子电荷面密度Qm。27106.1mAeVWWSAl1.09.30r12skT300314/105cmNA8.4.3 8.4.3 在在Si-SiOSi-SiO2 2界面处的快界面态界面处的快界面态lSi-SiOSi-SiO2 2系统中位于两者界面处的界面态就是来自系统中位于两者界面处的界面态就是来自于悬挂键，即所谓塔姆能级。于悬挂键，即所谓塔姆能级。l硅表面的晶格缺陷和损伤，将
48、增加悬挂键的密度，硅表面的晶格缺陷和损伤，将增加悬挂键的密度，同样引入界面态。同样引入界面态。l在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这些界在硅表面处存在杂质等也可以引入界面态，这些界面态位于面态位于Si-SiOSi-SiO2 2界面处，所以可以迅速地和界面处，所以可以迅速地和SiSi半半导体内导带或价带交换电荷，故此称为导体内导带或价带交换电荷，故此称为“快态快态”。l界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子界面态能级被电子占据时呈现电中性，而施放了电子之后呈现正电性，称为施主型界面态之后呈现正电性，称为施主型界面态 l若能级空着时为电中性而被电子占据时带上负电荷，若能级空着时为电中性
49、而被电子占据时带上负电荷，即称为受主型界面态即称为受主型界面态 l界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体内界面态能级被电子或空穴所占据的概率，与半导体内部的杂质能级被电子占据的概率分布相同部的杂质能级被电子占据的概率分布相同 l一般分布：认为界面态能一般分布：认为界面态能级连续地分布在禁带中，级连续地分布在禁带中，其中有两个高密度峰：一其中有两个高密度峰：一个靠近导带底为受主界面个靠近导带底为受主界面态；另一个靠近价带顶为态；另一个靠近价带顶为施主界面态施主界面态 减少界面态的方法减少界面态的方法 l合理地选择面原子密度小的晶面，如（合理地选择面原子密度小的晶面，如（100100）晶面）
50、晶面上生长上生长SiOSiO2 2，会减小未饱和的悬挂键的密度，从，会减小未饱和的悬挂键的密度，从而使界面态密度下降而使界面态密度下降 l通过选择在适当的条件和气氛下对通过选择在适当的条件和气氛下对Si-SiOSi-SiO2 2系统进系统进行退火，来降低表面态的密度行退火，来降低表面态的密度 8.4.4 SiO8.4.4 SiO2 2中的陷阱电荷中的陷阱电荷lSiSiSiOSiO2 2系统在器件工艺，测试或应用中常常会受系统在器件工艺，测试或应用中常常会受高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以在氧高能粒子，这些电磁辐射通过氧化层时，可以在氧化层中产生电子空穴对。在偏压作用下，电子化层中产生电
